浅谈无线移动通信LTE TDD与LTE FDD技术简介和比较
2014-10-15李伟
李伟
【摘要】 UTRA的长期演进（Long Term Evolution，ITE）技术存在LTE FDD和LTE TDD两大阵营，在比较分析TDD和FDD技术特点的基础上，对LTE TDD（即TD LTE）的进行了总结，并对LTE TDD和LTE FDD的应用前景进行了初步分析。
【关键词】 频分双工 LTE（FDD LTE） 时分双工LTE（TDD LTE）
上世纪九十年代以来，随着通信技术的的飞速发展，移动通信技术的发展也日新月异，宽带化、移动化、IP 化是无线通信系统未来的趋势。目前，无线移动通信市场有 WiMAX、WiFi、新兴无线宽带接入技术等展开激烈的竞争，3G 也必须在宽带无线中发展新的技术，才能满足市场需要和提高竞争力。3GPP 早已开始对 UTRA 长期演进（又称 Long Term Evolution，以下简称 LTE）技术进行研究，把 3G技术过渡到4G与B3G，研究目的是为了提高数据传输速率，减少时延、降低成本、扩展兼容性和覆盖范围。LTE 系 统 有 FDD（ 称 为 频 分 双 工，Frequency Division Duplexing）、TDD（称为时分双工，Time Division Duplexing）两种方式，两种无线技术有一定的差异。
一、LTE的基本原理
LTE 使用子信道方式，每 12 个连续的子载波段分成一组，开用一个最小单元（Resource Block，以下简称 RB），它同时针对不同的宽带有不同的子载波数，也对应不同的 RB。LTE 的通信系统采用 OFDM 方式，即 DFT-S-OFDM 方式，也称单载波 OFDM 方式，这是基于 OFDM 基础上的进化技术，它不对转换后的数据直接调制，而是先进行 DFT，将每个正在使用的子载波DFT 由时域转换到频域，然后再将频域信号输入到 IFFT 模块，最后将信号插入循环前级后又一起被转换到时域再进行发送。
与传统的OFDM 技术相比，这种模式的 PAPR 大幅降度。传统的 OFDM 技术在频域上的包络比较平，而单载波 OFDM 技术在频域上是包络性的，虽然它很像单载波，但实际上它拥有所有多载波的特性。LTE 的的功能，在 LTE-FDD 与 LTE-TDD 中得到体现。
二、TDD 与 FDD 的工作原理
TDD 与 FDD 双工的方式不同，TDD 以时间来分离接收与发送信道，当移动通信以 TDD 的方式进行时，接受和发送使用同一频率载波的不同时隙来当信道的承载，单方向的资源在时间上不连续，时间资源在两个方向上进行了分配，一个时间段内基站发送信号给移动台，另一个时间段内移动台发送信号给基站，基站与移动台要顺利工作必须协同一致。FDD 是分离的两个对称频率信道上进行收发，用保护频段来分离接收与发送的信道，FDD 必须采用成对的频率，依靠频率上行、下行两个链路，因此在单方向上的资源时间上是连续的，FDD 在做对称的业务时，能使上行下行两条链路的资源都能充份利用，而在做不对称业务时，频谱利用率则会大幅度降低。
三、帧结构比较
3.1 FDD 帧结构
FDD 技术的帧结构同时支持全双工与半双工，支持半双工主要是为了 PTT 之类的结构而节省 UE 成本，并使高质量信号的要求得到满足。LTE-FDD 每个无线帧性能如下：
每个无线帧长度包含 20 个时隙，每个连续时隙 2i 及 2i+1 构成一个子帧，它能在 10ms 的间隙中 10 个子帧作上行传输，10 个子帧作下行传输。
3.2 TDD 帧结构
现在提到的 LTE TDD 帧结构不是基于 TD SCDMA 特性的帧频，而是在 2007 年会议之后，提出的接近于 FDD 类似结构的帧。TDD 的无线帧长度是 Tf=307200×Ts=10ms，与 FDD 相同，同时它分为 2 个半帧频，每个长度为 5ms，每个半帧又包含 5 个子帧，每个长度 1ms，TDD 模式的上下行使用要分开来，它共有 7 种组合。标示“U”预留给上行传输，标示“D”表明预留给下行传输，标示“S”表明是特殊的子帧。ITU规定 LTE 除了新划分的频段可以使用，还可以使用原本的 3G 频段，因此 LTE TDD 的 GP 位置与长度一定要和 TD SCDMA 匹配才能避免系统之间的干扰。
四、LTE TDD与LTE FDD的比较
LTE TDD在帧结构、物理层技术、无线资源配置等方面具有自己独特的技术特点，与 LTE FDD相比，具有特有的优势，但也存在一些不足。
4.1 LTE TDD的优势
（1）频谱配置
现有的通信系统GSM900和GSM1800均采用FDD双工方式，FDD双工方式占用了大量的频段资源。同时，一些零散频谱资源由于FDD不能使用而闲置，造成了频谱浪费。由于LTE TDD系统无需成对的频率，可以方便的配置在LTE FDD系统所不易使用的零散频段上，具有一定的频谱灵活性，能有效的提高频谱利用率。
（2）支持非对称业务
在第三代移动通信系统以及未来的移动通信系统中，除了提供语音业务之外，数据和多媒体业务将成为主要内容，且上网、文件传输和多媒体业务通常具有上下行不对称特性。LTE TDD系统在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。根据LTE TDD帧结构的特点，LTE TDD系统可以根据业务类型灵活配置LTE TDD帧的上下行配比。
相对于LTE FDD系统，LTE TDD系统能够更好的支持不同类型的业务，不会造成资源的浪费。
（3）智能天线的使用
智能天线技术是未来无线技术的发展方向，它能降低多址干扰，增加系统的吞吐量、在LTE TDD系统中，上下行链路使用相同频率，且间隔时间较短，小于信道相干时伺，链路无线传播环境差异不大，在使用赋形算法时，上下行终端的处理复杂性。另外，在LTE TDD系统中，由于上下行信道一致，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，从而在一定程度上降低了基站的制造成本。
4.2 LTE TDD的不足
由于LTE TDD在同一帧中传输上下行两个链路，系统设计更加复杂，对设备的要求较高，存在一些不足：
（1）由于保护间隔的使用降低了频谱利用率，特别是提供广覆盖的时候，使用长CP对频谱资源造成了浪费。
（2）使用HARQ技术时，LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更复杂，且平均RTT稍长于LTE FDD的sms。
（3）由于上下行信道占用同一频段的不同时隙，为了保证上下行帧的准确接收，系统对终端和基站的同步要求很高。高速移动物体中性能下降较LTE FDD严重。
为了补偿LTE TDD系统的不足，LTE TDD系统采用了一些新技术，如：TDD支持微小区使用更短的PRACH，以提高频谱利用率；在D- BCH中传输DL：UL配置情况，以保证上下行帧的准确接收等。
五、融合与发展的趋势
5.1 共用平台
作为 LTE 的两种制式，LTE-TDD 和 LTE-FDD 主要的不同集中在物理层上，而在媒质接入控制层（MAC）、无线链路控制层（RLC）的差别不大，在高层协议上基本没什么不同。它们都是无线帧为 10ms，半帧为 5ms，子帧为 1ms，它们的特点也很一致，只有层一的帧结构有区别，而在 2007 年通过整合以后，帧长也接近一致，目前，在技术上也希望通过统一标准使 FDD 与 TDD 无线系统的技术都得到优化，使两者的频谱利用率相同。
5.2 存在的问题
虽然 LTE TDD 的帧结构已经改变，使 LTE TDD 与 LTE FDD 融合发展的实现成为可能，但是，这项技术也存在一些问题，主要是因为 LTE TDD 的结构改变了原来的 TD SCDMA 的模式，而没有考虑在原有基础上进行兼容，因此，LTE TDD 与 TD SCDMA 系统有可能出现因为设计不当而使系统之间产生互相干扰的问题。TD SCDMA 帧结构主要使用 10ms 无线帧与 5ms 子帧，它分为7 个时隙（以 0-6 作为序号进行区别）与三个特定的子帧（DwPTS、GP、UpPTS），而特定帧是不占时隙的，因此时隙 0 与 DwPTS 之间永远固定留给下行传输，而时隙 1 与 UpPTS 永远固定留给上行传输，在这两者之间存在一个转换点，其它时隙可以根据系统的实际情况进行划分，它意味着上下行之间存在着转换问题，而 DwPTS 又要占 96 码片，GP 占 96 码片，UpPTS 占 160 码片，这些长度都是为了保护上下行之间不被干扰进行设计，而现在 LTE TDD 帧结构中，对这种特定区域分出 9 种组合，如果 LTE TDD 和 TD SCDMA 在三种参数配置上出现不一致，就会产生系统干扰现象。
六、展望
过去 LTE FDD 与 LTE TDD 不能进行共享与统一是因为帧结构区别太大，而在 2007 年 3GPP 对 TDD 技术进行改进以后，两者之间已经倾向于一致。
这种一致性，使系统和终端都有可能在低成本下实现对两种模式的同时支持，对运营商来说，如果网络系统能够同时支持 FDD 与 TDD，那么只需要搭建一个平台就能实现两种技术的功能，这对设备商与运营商来说都是一个极大的福音，因为这可以极大的降低成本，扩大使用规模，创造经济效益，而这种双模式实现对 TDD 技术来说优势更大，如果运营商可以选择两种技术的话，在频率资源不够的时候，采用不对称频段是更理想的。因此，可以确定， FDD LTE与TDD LTE 在4G移动通信领域必然会有着共同而可观的应用前景。
参 考 文 献
[1] 3GPP TR 36.211，Physical Channels and Modulation（Releases 8）[S].2008.3
[2] 3GPP TR 36.213，Physical Layer and Procedures（Releases 8）[S].2008.3
4.2 LTE TDD的不足
由于LTE TDD在同一帧中传输上下行两个链路，系统设计更加复杂，对设备的要求较高，存在一些不足：
（1）由于保护间隔的使用降低了频谱利用率，特别是提供广覆盖的时候，使用长CP对频谱资源造成了浪费。
（2）使用HARQ技术时，LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更复杂，且平均RTT稍长于LTE FDD的sms。
（3）由于上下行信道占用同一频段的不同时隙，为了保证上下行帧的准确接收，系统对终端和基站的同步要求很高。高速移动物体中性能下降较LTE FDD严重。
为了补偿LTE TDD系统的不足，LTE TDD系统采用了一些新技术，如：TDD支持微小区使用更短的PRACH，以提高频谱利用率；在D- BCH中传输DL：UL配置情况，以保证上下行帧的准确接收等。
五、融合与发展的趋势
5.1 共用平台
作为 LTE 的两种制式，LTE-TDD 和 LTE-FDD 主要的不同集中在物理层上，而在媒质接入控制层（MAC）、无线链路控制层（RLC）的差别不大，在高层协议上基本没什么不同。它们都是无线帧为 10ms，半帧为 5ms，子帧为 1ms，它们的特点也很一致，只有层一的帧结构有区别，而在 2007 年通过整合以后，帧长也接近一致，目前，在技术上也希望通过统一标准使 FDD 与 TDD 无线系统的技术都得到优化，使两者的频谱利用率相同。
5.2 存在的问题
虽然 LTE TDD 的帧结构已经改变，使 LTE TDD 与 LTE FDD 融合发展的实现成为可能，但是，这项技术也存在一些问题，主要是因为 LTE TDD 的结构改变了原来的 TD SCDMA 的模式，而没有考虑在原有基础上进行兼容，因此，LTE TDD 与 TD SCDMA 系统有可能出现因为设计不当而使系统之间产生互相干扰的问题。TD SCDMA 帧结构主要使用 10ms 无线帧与 5ms 子帧，它分为7 个时隙（以 0-6 作为序号进行区别）与三个特定的子帧（DwPTS、GP、UpPTS），而特定帧是不占时隙的，因此时隙 0 与 DwPTS 之间永远固定留给下行传输，而时隙 1 与 UpPTS 永远固定留给上行传输，在这两者之间存在一个转换点，其它时隙可以根据系统的实际情况进行划分，它意味着上下行之间存在着转换问题，而 DwPTS 又要占 96 码片，GP 占 96 码片，UpPTS 占 160 码片，这些长度都是为了保护上下行之间不被干扰进行设计，而现在 LTE TDD 帧结构中，对这种特定区域分出 9 种组合，如果 LTE TDD 和 TD SCDMA 在三种参数配置上出现不一致，就会产生系统干扰现象。
六、展望
过去 LTE FDD 与 LTE TDD 不能进行共享与统一是因为帧结构区别太大，而在 2007 年 3GPP 对 TDD 技术进行改进以后，两者之间已经倾向于一致。
这种一致性，使系统和终端都有可能在低成本下实现对两种模式的同时支持，对运营商来说，如果网络系统能够同时支持 FDD 与 TDD，那么只需要搭建一个平台就能实现两种技术的功能，这对设备商与运营商来说都是一个极大的福音，因为这可以极大的降低成本，扩大使用规模，创造经济效益，而这种双模式实现对 TDD 技术来说优势更大，如果运营商可以选择两种技术的话，在频率资源不够的时候，采用不对称频段是更理想的。因此，可以确定， FDD LTE与TDD LTE 在4G移动通信领域必然会有着共同而可观的应用前景。
参 考 文 献
[1] 3GPP TR 36.211，Physical Channels and Modulation（Releases 8）[S].2008.3
[2] 3GPP TR 36.213，Physical Layer and Procedures（Releases 8）[S].2008.3
4.2 LTE TDD的不足
由于LTE TDD在同一帧中传输上下行两个链路，系统设计更加复杂，对设备的要求较高，存在一些不足：
（1）由于保护间隔的使用降低了频谱利用率，特别是提供广覆盖的时候，使用长CP对频谱资源造成了浪费。
（2）使用HARQ技术时，LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更复杂，且平均RTT稍长于LTE FDD的sms。
（3）由于上下行信道占用同一频段的不同时隙，为了保证上下行帧的准确接收，系统对终端和基站的同步要求很高。高速移动物体中性能下降较LTE FDD严重。
为了补偿LTE TDD系统的不足，LTE TDD系统采用了一些新技术，如：TDD支持微小区使用更短的PRACH，以提高频谱利用率；在D- BCH中传输DL：UL配置情况，以保证上下行帧的准确接收等。
五、融合与发展的趋势
5.1 共用平台
作为 LTE 的两种制式，LTE-TDD 和 LTE-FDD 主要的不同集中在物理层上，而在媒质接入控制层（MAC）、无线链路控制层（RLC）的差别不大，在高层协议上基本没什么不同。它们都是无线帧为 10ms，半帧为 5ms，子帧为 1ms，它们的特点也很一致，只有层一的帧结构有区别，而在 2007 年通过整合以后，帧长也接近一致，目前，在技术上也希望通过统一标准使 FDD 与 TDD 无线系统的技术都得到优化，使两者的频谱利用率相同。
5.2 存在的问题
虽然 LTE TDD 的帧结构已经改变，使 LTE TDD 与 LTE FDD 融合发展的实现成为可能，但是，这项技术也存在一些问题，主要是因为 LTE TDD 的结构改变了原来的 TD SCDMA 的模式，而没有考虑在原有基础上进行兼容，因此，LTE TDD 与 TD SCDMA 系统有可能出现因为设计不当而使系统之间产生互相干扰的问题。TD SCDMA 帧结构主要使用 10ms 无线帧与 5ms 子帧，它分为7 个时隙（以 0-6 作为序号进行区别）与三个特定的子帧（DwPTS、GP、UpPTS），而特定帧是不占时隙的，因此时隙 0 与 DwPTS 之间永远固定留给下行传输，而时隙 1 与 UpPTS 永远固定留给上行传输，在这两者之间存在一个转换点，其它时隙可以根据系统的实际情况进行划分，它意味着上下行之间存在着转换问题，而 DwPTS 又要占 96 码片，GP 占 96 码片，UpPTS 占 160 码片，这些长度都是为了保护上下行之间不被干扰进行设计，而现在 LTE TDD 帧结构中，对这种特定区域分出 9 种组合，如果 LTE TDD 和 TD SCDMA 在三种参数配置上出现不一致，就会产生系统干扰现象。
六、展望
过去 LTE FDD 与 LTE TDD 不能进行共享与统一是因为帧结构区别太大，而在 2007 年 3GPP 对 TDD 技术进行改进以后，两者之间已经倾向于一致。
这种一致性，使系统和终端都有可能在低成本下实现对两种模式的同时支持，对运营商来说，如果网络系统能够同时支持 FDD 与 TDD，那么只需要搭建一个平台就能实现两种技术的功能，这对设备商与运营商来说都是一个极大的福音，因为这可以极大的降低成本，扩大使用规模，创造经济效益，而这种双模式实现对 TDD 技术来说优势更大，如果运营商可以选择两种技术的话，在频率资源不够的时候，采用不对称频段是更理想的。因此，可以确定， FDD LTE与TDD LTE 在4G移动通信领域必然会有着共同而可观的应用前景。
参 考 文 献
[1] 3GPP TR 36.211，Physical Channels and Modulation（Releases 8）[S].2008.3
[2] 3GPP TR 36.213，Physical Layer and Procedures（Releases 8）[S].2008.3
